1 I2C簡介

I2C(Inter-Integrated Circuit)是一種由飛利浦半導體(現(xiàn)為恩智浦半導體)在1980年代初開發(fā)的同步、串行、半雙工的總線型通信協(xié)議。主要用于近距離(同一塊印刷電路板(PCB)上的集成電路(IC)之間)、低速(注：標準模式100K，快速模式400K，高速模式3.4M)的芯片之間的通信。

I2C總線有兩根信號線，一根數(shù)據(jù)線SDA用于收發(fā)數(shù)據(jù)，一根時鐘線SCL用于通信雙方時鐘的同步。I2C總線是一種多主機總線，連接在I2C總線上的器件分為主機和從機，主機有權(quán)發(fā)起和結(jié)束一次通信，而從機只能被主機呼叫。每個連接到I2C總線上的器件都有一個唯一的地址(7-bit)。主機通過I2C設備的地址來選擇從機。

2 I2C的三態(tài)門電路

信息雙向傳輸(方向為inout)的時候需要使用三態(tài)門電路。FPGA內(nèi)部三態(tài)門結(jié)構(gòu)：

當sda_out為1時，sda被設置為高阻態(tài)(1'bz)，即此時sda由外部設備(或上拉電阻)控制。當sda_out為0時，sda被驅(qū)動為0。這種設計符合I2C協(xié)議的開漏輸出特性：I2C設備只能將數(shù)據(jù)線拉低(輸出0)或釋放(輸出高阻，由上拉電阻拉高)。因此，這個三態(tài)設置實現(xiàn)了I2C數(shù)據(jù)線的雙向通信：既可以輸出數(shù)據(jù)(拉低)，也可以輸入數(shù)據(jù)(釋放總線并讀取)。具體的Verilog實現(xiàn)如下：

所以FPGA和外設之間要有個上拉電阻，如下是DE10-Nano的相關電路圖：

3 I2C協(xié)議的開始與結(jié)束信號

開始條件為當SCLK(時鐘腳)保持在高電平時， SDIN(數(shù)據(jù)腳)從高到低，接著會開始進行地址與數(shù)據(jù)傳輸;停止的條件是被定義成在 SCLK 在高電平時， SDIN 有一個低到高轉(zhuǎn)換：

4 I2C協(xié)議的字節(jié)傳送與應答

I2C總線通信時每個字節(jié)為8位長度，數(shù)據(jù)傳送時，先傳送最高位，后傳送低位，發(fā)送器發(fā)送完一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，接收器必須發(fā)送1位應答位(應答：低電平"0";非應答：沒接收到數(shù)據(jù)或者接收器不想應答，就保持高電平"1")來回應發(fā)送器，即一幀共有9位。

5 I2C協(xié)議的同步信號

I2C總線在進行數(shù)據(jù)傳送時：

時鐘線SCL為低電平時，發(fā)送器向數(shù)據(jù)線上發(fā)送1-bit數(shù)據(jù)，在此期間數(shù)據(jù)線上的信號允許變化;

時鐘線SCL為高電平時，接收器從數(shù)據(jù)線上讀取1-bit數(shù)據(jù)，在此期間數(shù)據(jù)線上的信號不允許發(fā)生變化，必須保持穩(wěn)定。

6 I2C協(xié)議的寫操作

主機先產(chǎn)生一個起始信號ST，再由主機發(fā)送出欲控制的器件地址Device Address[6:0]，再加上 1 位的 W/R 讀寫位(設定為 0)。從機收到主機發(fā)送出8 位信號后，會回應一個 ACK 信號;接著送出寄存器地址Register Address[7:0](有的寄存器地址是16位，則可分兩次發(fā)送)，從機收到主機發(fā)送出8 位信號后，會回應一個 ACK 信號;接著送出 8 位數(shù)據(jù) Data[7:0]，從機收到主機發(fā)送出8 位信號后，會回應一個ACK 信號。傳輸完成后，會從主機送出停止信號SP。則完成了將數(shù)據(jù) Data[7:0] 寫入 Device Address[6:0] 設備中的 Register Address[7:0] 寄存器中：

7 I2C協(xié)議的讀操作

主機先產(chǎn)生一個起始信號ST，再由主機發(fā)送出欲控制的器件地址Device Address[6:0]，再加上 1 位的 W/R 讀寫位(設定為 0)。從機收到主機發(fā)送出8 位信號后，會回應一個 ACK 信號;接著送出寄存器地址Register Address[7:0]，從機收到主機發(fā)送出8 位信號后，會回應一個 ACK 信號;接著主機重新送出開始信號SR(restart)，再由主機發(fā)送出欲控制的器件地址DeviceAddress[6:0]，再加上 1 位的 W/R 讀寫位(設定為 1)。從機收到主機發(fā)送出8 位信號后，會回應 一個 ACK 信號。接著讀取 8 位數(shù)據(jù) Data[7:0]，主機收到8 位信號后發(fā)送一個NACK給從機，通知從機主機不再需要更多的數(shù)據(jù)，最后從主機送出停止信號SP：